C/C++における関数レベルの静的変数はいつ初期化されるのか？

静的変数（static変数）は、staticキーワードを使用して定義できます。静的変数はプログラムの実行中ずっとメモリ上に存在し続け、その寿命はプログラム全体の実行期間に及びます。これは、関数が実行されている間だけメモリに存在し、関数の終了とともに破棄される自動変数（ローカル変数）とは大きく異なる点です。

初期化のタイミング

関数レベルの静的変数の場合、メモリ領域自体はプログラムのロード時に確保されますが、実際に作成され、初期化が行われるのは最初にその変数が使用されたときです。つまり、関数が何度呼び出されても、初期化処理が実行されるのは一度きりであり、以降の呼び出しでは前回の値がそのまま引き継がれます。

サンプルプログラム

以下は、C言語で関数レベルの静的変数の動作を示すサンプルプログラムです。

#include<stdio.h>
int func() {
    static int num = 0;
    num += 5;
    return num;
}
int main() {
    for(int i = 0; i<5; i++) {
        printf("%d\n", func());
    }
    return 0;
}

出力結果

上記プログラムの実行結果は以下の通りです。

5
10
15
20
25

プログラムの解説

まず、関数func()には、0で初期化された静的変数numが定義されています。関数が呼び出されるたびにnumに5が加算され、その値が返されます。該当するコード部分は以下の通りです。

int func() {
    static int num = 0;
    num += 5;
    return num;
}

次に、main()関数では、forループを使ってfunc()を5回呼び出し、戻り値であるnumの値を出力しています。numは静的変数であるため、プログラムの実行中はメモリ上に値が保持され続け、呼び出しごとに5、10、15、20、25というように一貫して増加していくのです。該当するコード部分は以下の通りです。

int main() {
    for(int i = 0; i<5; i++) {
        printf("%d\n", func());
    }
    return 0;
}

補足：C++11以降のスレッドセーフな初期化

C++では、C++11規格以降、関数内ローカルの静的変数の初期化はスレッドセーフであることが保証されています。複数のスレッドが同時に同じ静的変数へ初めてアクセスしても、初期化は必ず一度だけ実行され、他のスレッドは初期化の完了を待機します。この仕組みは、シングルトンパターンの実装などでよく活用されています。